质子“身负”三大未解之谜

日本“顶级神冈”实验计划寻找质子衰变的迹象。图片来源：《新科学家》杂志网站

质子潜伏于每个原子的核心深处，原子中质子的数量决定了其是氢、碳、氧还是铀。质子占宇宙中可见物质质量的86%以上，是人类赖以生存的基础。尽管质子无所不在，但它就像“最熟悉的陌生人”，头上仍然笼罩着几层神秘的面纱，等待人们逐一揭示。

中国科学院高能所研究员李玉峰对科技日报记者说：“我们耳熟能详的质子身上背负着多个未解之谜，包括最基本的问题：它由什么组成?它有多大?以及它是否会衰变等。”

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质子由什么组成

李玉峰指出：“一个简单并经常被提起的质子‘画像’是：两个上夸克和一个下夸克借助强核力结合在一起形成质子。”

但当物理学家更深入研究质子时，发现情况可能更加复杂：组成质子的这3个夸克周围是一个由其他粒子组成的翻腾的海洋，这些粒子会突然出现和消失。这意味着可能会有其他夸克“误入”质子内部。

李玉峰介绍说，1980年，欧洲核子研究中心(CERN)缪子合作组的科学家开展的一项实验表明，质子可能含有粲夸克及反粲夸克，这一结果引发激烈争议，但最终并未尘埃落定。随后不少科学家试图确定质子中粲夸克的成分，但所得到的结果相互矛盾。

2022年，荷兰阿姆斯特丹自由大学的胡安·罗霍团队结合了大量实验数据集和全新的机器学习工具，证明质子动量的一小部分(约0.5%)来自粲夸克。

尽管新证据的统计显著性没有达到“发现”的阈值，但最新数据得到了CERN大型强子对撞机(LHC)实验的支持，该实验报告称，质子可能含有粲夸克确实存在“蛛丝马迹”。

LHC等粒子加速器上开展的其他物理实验，也依赖于质子结构的精确模型，只有探明了质子是否含有粲夸克等谜团，物理学家才能最终在一些最大的“悬案”上取得进展。

质子有多大

质子有多大?这是一个非常基本的问题，但物理学家们仍未在这方面达成共识。

此前他们大致同意质子的半径约为0.88飞米(1飞米为千万亿分之一米)，但2010年的一项新测量打破了这一共识。瑞士保罗谢勒研究所开展的实验证明，质子比之前认为的要小，虽然只小了0.04飞米，但仍是个巨大差异。科学家们对此的解释是：一个或多个实验中出现错误，或存在超越粒子物理学标准模型的新粒子。

2010年以后，使用μ子氢的实验也证实，质子比之前认为的要小。2019年，科学家们发布了使用电子散射和普通氢跃迁的新测量结果，与μ子氢实验得出的质子半径一致。去年，德国波恩大学和达姆施塔特工业大学科学家用一种新技术重新分析了旧数据，也发现了支持更小质子的结果。

质子会衰变吗

人们所知道的所有其他复合粒子的生命都是短暂而不确定的。例如中子的“平均寿命”只有15分钟，随后就会发生衰变。但尽管进行了几十年的探索，但从未有人看到质子“老去”。

英国《新科学家》网站报道指出，质子是否衰变这一问题与现代科学的一项伟大任务——寻找大统一理论有关。大统一理论将把粒子物理学标准模型中的强核力、弱核力和电磁力统一为单一实体。在粒子物理标准模型中，质子是稳定的。假如存在比标准模型更基本的大统一理论，就会存在新的力，从而导致质子衰变。

20世纪80年代，美国和日本的两个物理学家团队试图寻找质子衰变。他们分别在美国伊利湖下和日本飞弹市的一个矿场里放置了巨大的水箱，每个水箱都装满了数千吨超纯水，水箱周围安装有探测器，以捕捉黑暗水中可能会出现的闪光，这可能预示着质子的衰变。但经过多年观察和等待，这两个实验都是“竹篮打水一场空”。从1996年开始，“超级神冈”实验持续寻找质子衰变，但迄今一无所获。

李玉峰表示：“这些寻找质子衰变的实验虽然在‘主业’上一无所获，但它们意外地发现了大气中微子振荡现象的直接证据，再次说明基础物理实验常常能够做到‘无心插柳柳成荫’。”

尽管如此，物理学家们还是计划建更大的探测器——“顶级神冈”实验，其水箱将容纳26万吨水，并将于2027年开始收集数据，最终或许能发现质子衰变的证据。

“找到上述问题的答案不仅会改变对质子本身的理解，也可能改变对宇宙及支配宇宙运作基本定律的理解。”李玉峰强调说。

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